(57)【要約】  【課題】地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置を提供する。  【解決手段】凍結地盤の試験用孔の中に挿入される感圧装置と、感圧装置から発信された検出信号を受信する計測装置とから成る。感圧装置は、中心部に駆動機構を備え、外周の円柱体部分は分割されており、各分割体は駆動機構の水平方向変位出力部と接合されている。各分割体の外周面部に受圧板及び受圧力の大きさを計測する圧力センサーの対が設置されており、圧力センサーと地上の計測装置とが信号ケーブルで接続されている。駆動機構を制御して各分割体の受圧板を孔壁へ圧接させ、地盤の融解に伴い試験用孔の孔壁が変形する水平方向ひずみを受圧板で拘束してＫ０状態を保ち、凍結地盤が完全に融けた時点で受圧板に作用している圧力の大きさを原位置地盤の水平方向応力として測定する。【選択図】  【図１】  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凍結地盤に掘削した試験用孔の中に挿入されて原位置地盤の水平方向応力を検知する感圧装置と、同感圧装置で計測された検出信号を地上で受信する計測装置とから成り、
前記感圧装置は、前記試験用孔の孔径とほぼ同径の円柱形状をなし、その中心部に水平方向へ変位させる駆動機構を備え、前記駆動機構の外周の円柱体部分は、直径線方向又は放射方向に複数に分割されており、各分割体は前記駆動機構の水平方向変位出力部と接合されており、各分割体の外周面部に受圧板及び該受圧板の受圧力の大きさを計測する圧力センサーの対が少なくとも１対設置されており、前記圧力センサーと地上の計測装置とが信号ケーブルで接続されており、また、前記駆動機構の制御手段も計測装置に設置されていること、
試験用孔の中へ挿入した感圧装置は、駆動機構を制御して各分割体の受圧板を孔壁へ圧接させ、地盤の融解に伴い前記試験用孔の孔壁が半径方向に変形する水平方向ひずみを前記受圧板で拘束してＫ０状態を保ち、凍結地盤が完全に融けた時点で前記受圧板に作用している圧力の大きさを原位置地盤の水平方向応力として測定することを特徴とする、地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置。
【請求項２】
駆動機構は、感圧装置の中心部の軸方向に配置されたシリンダと、その内部を滑動するピストン及びピストンロッドで構成され、前記ピストンロッドが水平方向変位出力部としての直動カムを有し、該直動カムと接触するカムフォロアが、各分割体に水平方向へ固定した水平方向変位ロッドに取り付けられており、前記ピストンは、その前室又は後室に供給された空気圧により駆動され、ピストンロッドの直動カムを変位させる構成であることを特徴とする、請求項１に記載した地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置。
【請求項３】
分割体は、平面的に見て円周を放射方向に３等分した３体から成り、各分割体の２等分角線上の位置に水平方向変位ロッドが設置されており、各分割体の外周面部の上下２箇所に受圧板及び圧力センサーの対が２対設置されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載した地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置。
【請求項４】
各分割体の受圧板の近傍位置に凍結地盤の温度を計測する熱電対が設置されており、熱電対は、計測装置と信号ケーブルで接続されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一に記載した地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非粘性の砂質地盤や礫質地盤を原位置で凍結し、当該地盤の水平方向応力を原位置で求めるため使用される、地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置の技術分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
地盤工学の分野においては、地盤の原位置における応力状態の推定、確認が重要な事柄である。粘性土地盤については、原位置の応力状態を測定することにある程度成功している。しかし、砂質地盤、礫質地盤といった所謂非粘性土地盤については、原位置における応力状態の再現が至難であるため、いまだ原位置での応力状態を正確に測定することは困難である。
【０００３】
特許文献１には、原位置における応力状態を再現する手法として非粘性土地盤を凍結し、その凍結地盤に掘削した試験用孔の中へ感圧装置を挿入すること、そして、感圧装置を試験用孔壁へ圧接させる手段として、前記感圧装置の外周面にゴムスリーブを被せ、同感圧装置の内部に設けられた加圧空間へ外部からセル液を注入し、ゴムスリーブを膨張させてゴムスリーブを前記試験用孔の孔壁へ圧接させ凍結地盤が融解することに従い孔壁が半径方向に変形する水平方向ひずみを拘束して非変形状態に保つ所謂Ｋ０状態を実現する測定装置が開示されている。加圧空間へ注入したセル液が凍結地盤の冷熱の影響を受けて凝固することを防ぐため加圧空間の内部にヒーターが取り付けられ、セル液温を一定に保つ工夫もなされている。
【特許文献１】特許第３３２６４６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に開示された測定装置は、凍結地盤の試験用孔壁へ圧接させてＫ０状態を実現する手段として、感圧装置の外周面にゴムスリーブを被せた構成である。しかし外周面にゴムスリーブを被せた感圧装置を試験用孔の中へ挿入する際のクリアランスは可及的に小さく、そして、凍結地盤の孔壁は鋭利な氷片が無数に露出する掘削状態であるため、ゴムスリーブに損傷を与えてしまう。結果的に、ゴムスリーブが破けてしまい、内部のセル液が外部へ漏れて測定不能の事態となることがある。
また、ゴムスリーブを膨張させるために感圧装置の外部からセル液供給管を通じてセル液を加圧空間へ注入しているが、セル液の液温が変化するとセル液の体積変化が生じ、あたかも水平応力が変化したと感知してしまうので、これを防ぐため液温を一定に保つことが正確な測定を行う条件である。よって感圧装置は、凍結された地盤の冷熱の影響を受けてゴムスリーブ内部のセル液及び外部から注入するセル液が凍結するのを防止するため、加圧空間やセル液供給管へヒーターを設置しているが、加熱の実効性は不明である。そして、ヒーターによる加熱の機構が複雑になり、コスト高となることを否めない。
【０００５】
本発明の目的は、感圧装置の外周面が試験用孔の掘削状態が原因で致命的に傷められることなく凍結地盤の孔中へ挿入できる構成とし、感圧装置の外周面を孔壁面へ確実に圧接させることができ、原位置の地盤応力を正確に計測することができる、地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置を提供することである。
【０００６】
本発明の次の目的は、感圧装置の加熱機構を省略してコストを削減し、使用上の操作と制御が容易な構成とした、地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記従来技術の課題を解決するための手段として、請求項１に記載した発明に係る地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置は、
測定対象の凍結地盤４に掘削した試験用孔５の中に挿入されて原位置地盤の水平方向応力を検知する感圧装置１と、同感圧装置１で計測された検出信号を地上で受信する計測装置２とから成る。
前記感圧装置１は、前記試験用孔５の孔径とほぼ同径の円柱形状をなし、その中心部に水平方向へ変位させる駆動機構７を備え、前記駆動機構７の外周の円柱体部分は、直径線方向又は放射方向に複数に分割されており、各分割体８は前記駆動機構７の水平方向変位出力部１７と接合されている。各分割体８の外周面部に受圧板９及び該受圧板９の受圧力の大きさを計測する圧力センサー１０の対が少なくとも１対設置されており、前記圧力センサー１０と地上の計測装置２とが信号ケーブル３で接続されている。また、前記駆動機構７の制御手段も計測装置２に設置されている。
試験用孔５の中へ挿入した感圧装置１は、駆動機構７を制御して各分割体８の受圧板９を孔壁へ圧接させ、地盤の融解に伴い前記試験用孔５の孔壁が半径方向に変形する水平方向ひずみを前記受圧板９で拘束してＫ０状態を保ち、凍結地盤４が完全に融けた時点で前記受圧板９に作用している圧力の大きさを原位置地盤の水平方向応力として測定することを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置において、
駆動機構７は、感圧装置１の中心部の軸方向に配置されたシリンダ３２と、その内部を滑動するピストン１２及びピストンロッド１３で構成され、前記ピストンロッド１３が水平方向変位出力部としての直動カム１６を有し、該直動カム１６と接触するカムフォロア１８が、各分割体８に水平方向へ固定した水平方向変位ロッド１７に取り付けられている。前記ピストン１２は、その前室又は後室に供給された空気圧により駆動されピストンロッド１３の直動カム１６を変位させる構成であることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置において、
分割体８は、平面的に見て円周を放射方向に３等分した３体から成り、各分割体８の２等分角線上の位置に水平方向変位ロッド１７が設置されており、各分割体８の外周面部の上下２箇所に受圧板９及び圧力センサー１０の対が２対設置されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３のいずれか一に記載した地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置において、
各分割体８の受圧板９の近傍位置に凍結地盤の温度を計測する熱電対１１が設置されており、熱電対１１は、計測装置２と信号ケーブル３９で接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１〜４に記載した発明に係る地盤の原位置水平方向応力を求める測定装置は、円柱形状を成す感圧装置１の外周面を複数の分割体８で構成し、これらを水平方向へ変位させる駆動機構７を中心部に備え、そして、各分割体８に受圧板９と圧力センサー１０の対を少なくとも一対設置した構成であるから、感圧装置１の外周面が試験用孔５の孔壁で致命的に傷められることなく凍結地盤４の試験用孔５の中へ挿入できる。各分割体８は駆動機構７で水平方向への変位を制御されるので、各分割体８に設置した受圧板９を確実に孔壁へ圧接できる。前記の受圧板９で凍結地盤が融解するに従い孔壁が変形する水平方向ひずみを拘束してＫ０状態に保つので、原位置の地盤応力を正確に計測できる。各分割体８は、中心部の駆動機構７、即ち、シリンダ３２とピストン１２及びピストンロッド１３から成る所謂空圧シリンダと直動カム機構とで水平方向への変位を生じさせる構成であるから、構成が簡略化され、コストを削減でき、使用上の操作と制御が容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
円柱形状をなす感圧装置１の円柱体部分を直径線方向又は放射方向に複数に分割し、各分割体８を水平方向へ等しく変位させる駆動機構７を備えた感圧装置１を、凍結地盤４の試験用孔５の中へ挿入し、各分割体８の外周面部に設置した受圧板９を孔壁へ等しく圧接させて孔壁のＫ０状態を保ち、原位置地盤が融解した時点の水平方向応力を測定する。
【実施例１】
【００１３】
図１は、液体窒素或いはドライアイスを混入した不凍液などを用いる公知の地盤凍結装置で凍結された試験対象の非粘性土地盤４に、例えばコアチューブ等で試験用孔５を掘削し、その試験用孔５の中の試験位置へ感圧装置１を挿入し、地上には計測装置２を設置して原位置地盤の水平方向応力を求める測定装置の使用状態を概念的に示している。
感圧装置１は、試験用孔５の口径とほぼ同径の円柱形状（直径９８mm、高さ６８０mm）に形成されている。試験用孔５は、前記感圧装置１の外径よりもやや大きい口径（約１００mm）に掘削されている。感圧装置１は、試験用孔５の中の試験位置へ地上から支持ロッド２７を利用して挿入し支持される（又は孔底に置く）。
感圧装置１の具体的な構成を図２に示した。感圧装置１の中心部の軸方向に駆動機構７としての空圧シリンダを備えている。即ち円筒形のシリンダ３２とその内部を滑動するピストン１２、及びピストンロッド１３とで空圧シリンダが構成され、ピストン１２の上下に配置されたシリンダヘッド２２と２３でピストン１２の前室２０と後室２０’（空圧室）が形成されている。前室２０及び後室２０’に接続したエアノズル１９又は１９’を通じて空気圧が供給される。前記ピストンロッド１３の上下の端部に円錐コーン形状の直動カム１６が取り付けられている。
【００１４】
前記空圧シリンダ（駆動機構７）の外周の円柱体部分は、例えば図３と図４の例では、放射方向に約１２０°間隔に３等分して分割されている。各分割体８の上下２箇所の位置であって各分割体８の２等分角線上の位置に、水平方向変位ロッド１７が水平に、且つ放射方向に（図３）設置され、その内端に取り付けたカムフォロア１８が前記直動カム１６の外周面と接している。
各分割体８の外周面部には、上下２箇所の位置に、試験用孔５の孔壁と接する受圧板９及び受圧板９が孔壁から受ける受圧力の大きさを検知する圧力センサー１０の対が２対設置されている。受圧板９と圧力センサー１０とは、ボルト１４で受圧力を伝達できるように結合されている。受圧板９と圧力センサー１０との間の空間３６は、通水路３７で外部（試験用孔５）と連通されている。
前記各圧力センサー１０には、検知した圧力信号を地上の計測装置２へ入力する信号ケーブル３が接続されている。また、各分割体８には、上下２個の受圧板９の中間（近傍）位置に、凍結地盤４の温度を計測する熱電対１１が１個ずつ設置されており、やはり検知した温度信号を地上の計測装置２へ入力する信号ケーブル３９が接続されている（図１）。この熱電対１１で凍結地盤の融解状況を知ることができる。
【００１５】
上記の駆動機構７（空圧シリンダ）の上端に取付板２１がボルト２６で結合され、この取付板２１と接合した立上り管６の上端部に軸継手２４が設けられ、この軸継手２４に上述した支持ロッド２７が接合される。
前記立上り管６の途中位置に中継ブロック２５が固定され、この中継ブロック２５の上面側に、地上の計測装置２から導いた信号ケーブル３及び３９の接続端子２８が設置され、下面側に設置した各分割体の圧力センサー１０及び熱電対１１から導いた各信号ケーブル３及び３９の接続端子３３と接続されている。同じ中継ブロック２５には、計測装置２を通じて地上から導いた空気圧配管１５の接続器３１が設けられている。前記接続器３１は、上記したピストン前室２０及び後室２０’のエアノズル１９及び１９’に繋いだ空気圧管１５の接続器４１と接続されている。前記中継ブロック２５は、前記取付板２１から立ち上がる外被管２９の中継接合具としても使用されている。
【００１６】
駆動機構７の下端には、中空構造の先端リング３４がボルト３８で結合されている。先端リング３４の下端開口部には、引張りばね４０を取り付けた常時閉のチェック弁３５が設置されている。
【００１７】
上記構成の感圧装置１は、凍結地盤４の試験用孔５の中へ支持ロッド２７を利用して試験位置まで下ろされる。しかる後に、地上に設置した計測装置２による駆動機構７（空圧シリンダ）の空気圧制御により、上記各分割体８の外周面に設置した受圧板９が試験用孔５の孔壁へ強く圧接した状態になるまで水平方向へ変位させる。空圧シリンダは、空気圧管１５からエアノズル１９又は１９’を通じてピストン前室２０又は後室２０’へ空気圧を供給し、ピストン１２を上下方向に移動させる。ピストン１２が下方へ移動すると、ピストンロッド１３の上下両端部に取り付けた直動カム１６が、カムフォロア１８及び各分割体８の水平方向変位ロッド１７を通じて各分割体８を水平方向外向きへと変位させ、受圧板９を孔壁へ必要十分な強さで圧接させる。この状態で凍結地盤４が融解していくに伴い、試験用孔５の孔壁が変形（水平方向ひずみ）するが、各分割体８に設置した受圧板９で前記変形を拘束してＫ０状態を保つ。凍結地盤４が融解する状況及び完全に融けたか否かは熱電対１１で観測する。凍結地盤４が完全に融けた時点で、受圧板９に作用している孔壁の圧力の大きさを圧力センサー１０が計測し、原位置地盤の水平方向応力として求める。このとき受圧板９には、試験用孔５内の水圧も作用しているが、受圧板９の背後空間３６に浸入した水圧とつり合うので、相殺され無視できる。
【００１８】
なお、駆動機構７は上記空気圧を利用した構成に限らない。例えばピストンロッド１３をモータにより回転するねじ軸機構として実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る原位置水平方向応力を求める測定装置の使用状態を示した概念図である。
【図２】感圧装置の内部構造を示す縦断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図４】図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１    感圧装置
２    計測装置
３、３９    信号ケーブル
４    凍結地盤
５    試験用孔
７    駆動機構
８    分割体
９    受圧板
１０    圧力センサー
１１    熱電対
１２    ピストン
１３    ピストンロッド
３２    シリンダ
１５    空気圧管
１６    直動カム
１７    水平方向変位ロッド
１８    カムフォロア  
【図１】
2005061102.tif 000003
【図２】
2005061102.tif 000004
【図３】
2005061102.tif 000005
【図４】
2005061102.tif 000006